巖土錨固理論研究現(xiàn)狀

邱海玢　侯繼祥

【摘 要】本文詳細(xì)地介紹了地錨荷載傳遞機(jī)理以及錨固支護(hù)作用，論述了我國巖土錨固技術(shù)的新進(jìn)展，指出了存在的問題和發(fā)展方向。

【關(guān)鍵詞】巖土錨固；理論研究；a錨固機(jī)理

0.引言

巖土錨固是巖土工程領(lǐng)域的重要分支，其本質(zhì)是充分利用較大剛度和強(qiáng)度材料的力學(xué)特性來加強(qiáng)或加固軟弱破碎的巖體和土體，與此同時發(fā)揮巖土體的自穩(wěn)能力，最終使工程結(jié)構(gòu)物達(dá)到穩(wěn)定[1]。由于錨固技術(shù)可以有效地提高巖土體自身的強(qiáng)度及自穩(wěn)能力，節(jié)省工程費(fèi)用并有利于施工安全，因此巖土錨固在水利、交通、能源以及城市基礎(chǔ)建設(shè)中獲得了廣泛的應(yīng)用[1～3]。

1.巖土錨固理論研究現(xiàn)狀

1.1荷載傳遞機(jī)理研究

巖土錨固技術(shù)在工程中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。然而由于巖土錨固工程的復(fù)雜性，巖土錨固機(jī)理的研究和設(shè)計(jì)理論遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于工程實(shí)踐。目前分析錨桿承載能力時通常認(rèn)為錨固破壞主要包括以下3種方式：①錨桿筋體的抗拉破壞；②注漿體與筋體間剪切破壞；③地層與注漿體間剪切破壞。一般情況下，筋體自身的抗拉能力能得到保證。在荷載傳遞機(jī)理方面，國內(nèi)外理論研究相應(yīng)地主要圍繞以下兩個方面展開：

a、注漿體與筋體間力的傳遞機(jī)理和應(yīng)力分布狀態(tài)。

b、注漿體與圍巖土體間粘結(jié)力的傳遞機(jī)理和應(yīng)力分布狀態(tài)。

注漿體和錨桿間的粘結(jié)力包括三個因素：粘著力、機(jī)械聯(lián)結(jié)力和摩擦力。大量試驗(yàn)表明，隨著對錨桿施加荷載的增加，桿體和注漿體間的應(yīng)力峰值會發(fā)生轉(zhuǎn)移，而且在整個錨固段上應(yīng)力分布很不均勻。

錨桿和注漿體以及注漿體和巖土體組成了兩個雙材料模型，雙材料之間的性質(zhì)互相牽制、互相影響都是通過材料的界面來完成，因此界面及界面端部的應(yīng)力狀況會變得非常復(fù)雜。從雙材料平面問題分析界面應(yīng)力傳遞的方法有很多，剪滯應(yīng)力分析法依據(jù)較為精確的彈性力學(xué)理論，可以給出界面精確的應(yīng)力分布規(guī)律，但不能得到界面端部正確的應(yīng)力分布狀況；奇異積分方程以及特征值法可以將界面端部應(yīng)力集中的特征反映出來，但對于全場分析顯得力不從心；近年發(fā)展起來的數(shù)值方法可以直接得到應(yīng)力場的數(shù)值分析結(jié)果，但對于分布規(guī)律的解釋沒有解析法有效[4]?？偟膩碚f，界面端部應(yīng)力場具有奇異性，在界面端部使用通常意義上的最大剪應(yīng)力強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則不能達(dá)到理想的效果，斷裂力學(xué)中表征奇異應(yīng)力場強(qiáng)度的的應(yīng)力強(qiáng)度因子才是非常有效的工具。

隨著巖土錨固工程實(shí)踐的進(jìn)展，許多研究人員通過室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值仿真模擬、現(xiàn)場試驗(yàn)等手段對錨固作用機(jī)理進(jìn)行了深入的研究。下面介紹一些比較有代表性的成果。

何思明、張小剛[5]將損傷理論的基本原理引入常規(guī)剪切滯模型，并進(jìn)行修正推導(dǎo)了基于損傷理論的修正剪切滯模型。張宏博[6]結(jié)合實(shí)際工程根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測資料，對影響錨索預(yù)應(yīng)力變化的各種因素進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并針對不同影響因素的特性規(guī)律，提出了針對性的施工建議。

2.巖土錨固技術(shù)的新進(jìn)展

近年來，我國巖土錨固的新進(jìn)展突出地表現(xiàn)在以下幾個方面：

2.1錨固支護(hù)作用

已經(jīng)得到普遍接受的錨固支護(hù)理論包括：

2.1.1懸吊理論

把由于開挖、爆破等造成的松動巖塊穩(wěn)固（懸吊）在穩(wěn)定巖層上，防止破碎巖塊脫落。該理論要求錨桿長度穿越塌落拱高度，以便把坍塌的巖石懸吊起來。

2.1.2組合梁理論

把單層的巖體看成簡支梁，當(dāng)受外力作用時，簡支梁容易發(fā)生彎曲變形。用錨釘將多個簡支梁（多個單層的巖體）固定在一起，這樣由于各單層巖體間摩擦力的作用，增加了巖體的穩(wěn)定性，即組合梁。

2.1.3組合拱理論（支撐理論）

拱形洞室因圍巖強(qiáng)度低或受動壓作用，開挖后必然引起從周邊開始的變形破壞，逐步形成圖1所示的圍巖破壞區(qū)域，根據(jù)圍巖變形破壞特點(diǎn)將圍巖分成4個區(qū)：①完全破壞區(qū)、②裂隙發(fā)育區(qū)、③彈塑性變形區(qū)、④原巖應(yīng)力區(qū)。

圖1 圍巖破壞示意圖

在拱形洞室圍巖的破裂區(qū)安裝預(yù)應(yīng)力錨桿時，錨固力的作用在于對①區(qū)和②區(qū)圍巖施加圍壓，使已破裂的圍巖具有一定的殘余強(qiáng)度，在錨桿的作用下，在圍巖中形成一個均勻的壓縮帶，即組合拱。

2.2單孔復(fù)合錨固技術(shù)

單孔復(fù)合錨固體系主要有壓力分散型、拉力分散型和拉壓分散型三種。

在國家“948”項(xiàng)目支持下，中國水利水電科學(xué)研究院于2003年9月引進(jìn)了韓國三友（SAM WOO）公司的分散壓縮型無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索生產(chǎn)線[7]。目前， 這種新型的分散壓縮型預(yù)應(yīng)力錨索體系在韓國、日本等國家已得到廣泛應(yīng)用。針對我國目前水利水電工程建設(shè)中使用的預(yù)應(yīng)力錨索噸位大、類型多的特點(diǎn)，中國水利水電科學(xué)研究院對引進(jìn)的錨索技術(shù)進(jìn)行吸收、消化、改造，研制開發(fā)出300噸（孔徑174mm）、200噸、150噸、120噸、100噸（孔徑140mm）等不同噸位，不同長度的分散壓縮型無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索系列產(chǎn)品，部分研究成果現(xiàn)已申請了國家專利。

2.3可重復(fù)高壓灌漿錨固

能否有效地提高軟土中錨桿的承載力是錨固技術(shù)能否進(jìn)入軟土工程的一個突出難題?？芍貜?fù)高壓灌漿錨桿是在錨桿錨固段注入漿體，等漿體達(dá)到一定強(qiáng)度后，再施加多次高壓劈裂灌漿，這樣當(dāng)水泥漿在土中硬化后，形成水泥土結(jié)構(gòu)，其抗剪強(qiáng)度（C值）遠(yuǎn)大于原狀土。

2.4土釘支護(hù)

20世紀(jì)70年代在法國、德國等歐洲國家開始應(yīng)用的土釘支護(hù)于90年代在我國基坑和邊坡工程中得到了迅速的發(fā)展。針對我國東南地區(qū)主要是海相沉積的軟土巖層和地下水位高的特點(diǎn)，并經(jīng)過在上海、福州等城市以淤泥質(zhì)土為主的地層中的基坑工程實(shí)踐，人們研究提出了一種稱為復(fù)合土釘墻的施工技術(shù)，大大拓寬了土釘支護(hù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

3.錨固研究存在的問題及發(fā)展方向

我國巖土錨固工程技術(shù)近十年來在工程建設(shè)大發(fā)展的環(huán)境下得到了長足的進(jìn)步，錨固理論研究工作取得了一定的進(jìn)展，但也存在不少問題：

（1）理論研究明顯滯后于工程應(yīng)用研究。

（2）對錨固力的傳遞機(jī)理和應(yīng)力分布狀態(tài)局限于定性的解釋，不能有效地服務(wù)于工程實(shí)踐。

（3）錨固技術(shù)的研究仍滯留在以錨桿為主體的研究水平上，尚沒有達(dá)到把錨固技術(shù)看作一個系統(tǒng)來作整體研究的水平。

（4）錨固支護(hù)理論也沒有形成統(tǒng)一有效的認(rèn)識，缺乏合理的計(jì)算方法。

（5）對錨桿預(yù)應(yīng)力損失不能作出準(zhǔn)確的評估。

（6）錨桿耐久性研究與當(dāng)前國際水平相差較大。

因此，巖土錨固的理論研究應(yīng)從以下幾個方面展開：（下轉(zhuǎn)第84頁）

（上接第81頁）（1）研究錨固體的荷載傳遞機(jī)理，提出切合實(shí)際的應(yīng)力傳遞公式。

（2）加強(qiáng)錨固機(jī)理研究，以深入探究錨桿與圍巖的互相作用機(jī)理、影響因素以及可能發(fā)生的失穩(wěn)模式。

（3）進(jìn)一步加強(qiáng)對錨桿預(yù)應(yīng)力變化的實(shí)質(zhì)和規(guī)律的研究，以提出合理的預(yù)測模型，尤其是要從力學(xué)分析和機(jī)理角度去研究預(yù)應(yīng)力的長期穩(wěn)定性。

（4）研究和了解環(huán)境因素（如工程周圍水、土中有害化學(xué)介質(zhì)侵蝕等）對錨桿預(yù)應(yīng)力和壽命的影響。 [科]

【參考文獻(xiàn)】

[1]閆莫明，徐禎祥，蘇自約.巖土錨固技術(shù)手冊[M].北京：人們交通出版社，2004.

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[3]程良奎，范景倫，韓軍等.巖土錨固[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.

[4]楊春林，鄭百林，賀鵬飛等.巖錨界面及其端部附近應(yīng)力場奇異行為的彈性力學(xué)分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2004，23（6）：946～951.

[5]何思明，張小剛，王成華.基于修正剪切滯模型的預(yù)應(yīng)力錨索作用機(jī)理研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2004，23（15）：2562～1267.

[6]張宏博，黃松，宋廣等.預(yù)應(yīng)力錨索在滑坡體加固中的影響因素分析[J].巖土力學(xué)，2004，25（2）：324～326.

[7]陳祖煜，楊健.巖土預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)的進(jìn)展[J].貴州水力發(fā)電，2004，18（5）：5～10.